La limitation des ressources énergétiques fossiles et les lourds impacts environnementaux pouvant résulter de leur exploitation, entraînent un regain d’intérêt pour la digestion anaérobie. Face aux enjeux énergétiques et sanitaires, la conduite d’un méthaniseur implique l’optimisation de la production de méthane, mais aussi d’assurer la qualité sanitaire du digestat du point de vue des micropolluants. C’est dans ce cadre que s’inscrit ce projet de thèse réalisé en partenariat avec la ferme expérimentale de la Bouzule. L’optimisation de la co-digestion de substrats a montré que l’ajout d’herbe ensilée durant 36 semaines, améliorait le rendement du procédé de 20%. Le suivi des micropolluants (métaux lourds et HAPs) contenus dans les herbes provenant des bordures de route a montré que la qualité du digestat ne serait pas affectée si elles sont incorporées au digesteur. L’étude en réacteur batch de l’impact des antibiotiques sur la production de méthane a montré que : à 8 mg/L et 16 mg/L de tétracycline on observe une baisse de 23% et 28% respectivement, à 14 mg/L de spiramycine on observe une baisse de 40%, et à 20 mg/L de tylosine on observe une baisse de 30%. En réacteur continu, les faibles concentrations de tétracycline (0,2 mg/L et 2 mg/L) amélioraient d’environ 5% de la production de méthane au bout de 7 jours. A 200 mg/L et 2000 mg/L de tétracycline, on atteint des baisses de 30% et 40%, et le système ne récupère pas au bout de 7 jours. Quant à la spiramycine, à 1,4 mg/L, 14 mg/L et 140 mg/L, les baisses ont été de 14%, 24% et 39% respectivement, et au bout de 7 jours, une baisse résiduelle est toujours observable. Par ailleurs, les digestats issus des tests avec les antibiotiques sont en accord avec la réglementation / The limitation of fossil energy resources and heavy environmental impacts arising from their operation, there is a renewed interest for anaerobic digestion. According to the energy, and health issues, the monitoring of an anaerobic digester involves the maximization of the methane production, but also to ensure a good quality of digestate from the perspective of micropollutants. It is within this framework that this project of thesis is realized in partnership with the experimental farm of “La Bouzule”. The optimization of the co-digestion of substrates, showed that the use of 36 weeks grass silage improved the process yield by 20%. The monitoring of heavy metals and PAHs content in the grasses from roadsides showed that these grasses – if used as co-substrate in the digester – will not affect the digestate quality. The study of the impact of antibiotics on methane production in batch reactor showed that: 8 mg/L and 16 mg/L of tetracycline led to 23% and 48% decrease respectively, 14 mg/L of spiramycin led to 40% decrease, and 20 mg/L tylosin to 30% decrease. The monitoring of the continuous reactor showed that low levels of tetracycline (0.2 mg/L and 2 mg/L) led to an improvement of about 5% of the methane production. At 200 mg/L and 2000 mg/L of tetracycline, reductions of 30% and 40% are achieved, and the system did not recover after 7 days. The addition of spiramycin to the continuous reactor at 1.4 mg/L, 14 mg/L and 140 mg/L resulted in decreases of 14%, 24% and 39% respectively. For the latter, after one week, a residual drop is still observable. Furthermore, the digestate resulting from the monitoring of the continuous reactor during the tests with antibiotics is in accordance with current regulations

La co-digestion anaérobie (CoDA) des substrats agro-industriels s’inscrit pleinement dans les objectifs sociétaux d’une gestion optimisée des agroressources, d’une réduction des impacts anthropogéniques, ainsi que d’un développement des énergies renouvelables. Toutefois, en considérant les verrous industriels et scientifiques, il est apparu que la problématique méthodologique, relative à l’étude et à l’optimisation, était primordiale dans l’amélioration des performances méthanogènes en CoDA. En cela, il s’est avéré que le principal actionneur pour l’optimisation de la CoDA soit la formulation du mélange en substrats et co-substrats constituant l’intrant du digesteur. Ainsi, les travaux de thèse étaient inscrits dans un double objectif, industriel et scientifique, dont les résultats ont permis de (i) mettre en œuvre des méthodes simples, peu chronophages et surtout peu coûteuses, pour la caractérisation des intrants et le suivi de la CoDA, (ii) déterminer la relation fondamentale entre la formulation du mélange de substrats et son potentiel biométhanogène, (iii) développer des outils de prédiction du potentiel biométhanogène des mélanges de substrats, ainsi que des biodégradabilités globales et spécifiques de ces derniers, (iv) améliorer la compréhension des interactions entre les substrats codigérés et le consortium microbien de digestion, ainsi que la capacité de ce dernier à s’adapter aux diverses charges organiques qui lui sont appliquées (capacité homéostasique). / The co-digestion of agro-industrial substrates in anaerobic conditions falls within the objectives of an optimized management of agricultural resources along with reduction of anthropogenic impacts and development of renewable energies. Considering scientific and industrial bottlenecks from literature review, it could be identified that a methodological approach was the key to an enhanced understanding of anaerobic co-digestion. Ultimately, formulation of the substrate and co-substrates (digestor’s inputs) appeared to be the main actuator to optimize anaerobic co-digestion. Conciliating both scientific and industrial issues, this thesis led to the following findings : (i) an implementation of simple and cost-saving methods to characterize the inputs of digestor and biogas production, (ii) a determination of fundamental relationship between substrate blend and his biomethane potential, (iii) a development of predictive tools for biomethane potential of substrate blends as well as global and specific biodegradability of substrates, (iv) an enhanced comprehension of first, interactions between codigested substrates and the microbial consortium and second, the adaptation capacity of the microbial consortium to various organic loading (homeostatic capacity).

Le traitement biologique des eaux usées urbaines et industrielles reste une activité ayant un impact négatif sur l’environnement et sur le changement climatique par l’émission des gaz à effet de serre (GES), notamment le CO2. Les changements innovants au niveau des procédés de traitement des eaux usées par l’intégration des flocs de microalgues-bactéries ont abouti à des procédés multitrophiques sans apport d’O2 et sans dégagement du CO2. Il s'agit d'une étude de faisabilité de ces flocs-MaB pour la photobioremédiation des polluants (organiques et minéraux) et pour la production de biomasse valorisable en bioénergie dans le cadre de l'économie circulaire. En présence de la lumière, les flocs-MaB ont été intégrés dans des photobioréacteurs à biomasse fixe afin d'assurer un traitement durable des eaux usées grâce aux échanges symbiotiques entre les micro-oragnismes en terme de nutriments et de gaz. L'encapsulation des flocs-MaB dans des billes de PVA-alginate a montré l'effet des conditions physico-chimiques et hydrodynamiques sur l'élimination des polluants et l'évolution multicellulaire des flocs au sein des réacteurs à multi-échelles. Par ailleurs, la biomasse multitrophique immobilisée sur des supports biodégradables d'olive (OPP) et sur des disques en PVC a assuré une meilleure performance des bioréacteurs à lit fluidisé et à disques rotatifs, respectivement, pour la bioremédiation des eaux usées. Les propriétés des supports (porosité, rugosité et structure) et les comportements hydrodynamiques ont été contrôlés pour favoriser l'attachement des biofilms multitrophiques. Le développement de biofilm montre l'effet des interactions multitrophiques entre les microalgues et les bactéries sur l'élimination des composés organiques (DCO) et nutriments (ammonium et phosphore). La biomasse des flocs-MaB a été récupérée et réutilisée pour le traitement du digestat liquide à l'issu du digesteur et pour améliorer la production de biométhane par une co-digestion anaérobie. Ce procédé multitrophique et intégré permet d'obtenir Zéro déchet à la sortie du processus / The biological treatment of urban and industrial wastewaters represents a process with a negative impact on the environment and on climate change through the emission of greenhouse gases (GHG), particularly CO2. In the presence of light, microalgae-bacteria flocs (MaB-flocs) have been integrated into photobioreactors with fixed biomass to ensure a sustainable wastewater treatment without O2 supply and CO2 release. The entrapment of flocs in PVA-alginate beads has shown the effect of physicochemical and hydrodynamic conditions on the elimination of pollutants and the multicellularity evolution within multi-scale bioreactors. In addition, the immobilization of biomass on biodegradable olive carriers and on PVC disks provided a better performance of fluidized bed and rotating discs bioreactors, respectively, for the bioremediation of wastewater. The properties of the supports (porosity, roughness, and structure) and the hydrodynamic behaviors have favored the attachment of multitrophic biofilms. Biofilm development shows the effect of multitrophic interactions between microalgae and bacteria on the organic compounds (COD) and nutrients (ammonium and phosphorus) removals. The MaB-flocs biomass was recovered and reused for the treatment of the digestate and to improve the production of biomethane by anaerobic co-digestion. This integrated multitrophic technology makes it possible to obtain zero wastes at the end of the process